CN104266553A - 一种高安全低能耗的电火工品组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高安全低能耗的电火工品组件。本发明的电火工品组件包括：电火工品、电子开关和封装体；其中，电子开关和电火工品分别安装在封装体内，电子开关和电火工品并联；在非发火状态下，电子开关在非发火状态下处于常通状态，此时电火工品被短路，具有高安全电流，具有高安全性；而在进入发火状态后，电子开关断开，电火工品接入发火控制电路，则只需要较低的发火能量和发火电压就能正常发火，具有低能发火的能力；即电火工品组件同时具备高安全性和低能发火能力，同时由于电子开关的工作条件简单因而不需要复杂的外围电路。

Description

一种高安全低能耗的电火工品组件

技术领域

本发明涉及电火工品技术，具体涉及一种发火能量较低同时具有高安全电流的电火工品组件。 

背景技术

传统的电火工品组件主要有金属桥丝、爆炸箔、可反应桥、半导体桥和金属膜桥这几类。其中，金属桥丝焊接于两根金属电极之间，当金属电极通入电流时，桥丝发热引燃与桥丝接触的发火药。现实设计和应用中金属桥丝存在明显缺陷：一是在要求有较高安全电流(≥100mA)时，则需要较高的发火电压(≥28V)及较高的发火能量(≥10mJ)；二是为了降低金属桥丝的发火电压、发火电流和发火能量，必须减小桥丝直径，增加发火药感度，造成了电火工品的安全电流下降，也降低了电火工品的抗静电抗电磁干扰的能力，这意味着为使电火工品低能可靠发火，需要降低电火工品安全性。爆炸箔因为具有极高的起爆电压(≥1000V)和安全电流因而具有较高的安全性，但由于其发火所需电压较高，驱动电路复杂因而难以顺应传爆序列小型化、低成本化的需求，用于驱动飞片的可反应桥所需的发火电压相比爆炸箔虽有明显降低，但其绝对值(≥100V)仍然远远高于其他电火工品。半导体桥和金属膜桥可以实现小型化和低成本化，其独特的桥型结构造成电流密度在桥区处突然增大，使得该类火工品换能元能以较低的电压(≤5V(10uf))和较低的发火能量发火，也可以具有一定的安全电流阈值(≥200mA)。但其桥区尺寸、桥区材料和桥区工艺也限制了其安全电流进一步的提升，难以满足某些行业要求如国军标中对电火工品提出的1A1W5分钟不发火的要求。 

传统电火工品存在以下问题：如果电火工品具有较高的安全电流，则其也具有较高的发火能量和发火电压；而如果降低电火工品发火能量和发火电压则电火工品安全电流又会降低，导致成电火工品安全性的降低。对于设计者而言，电火工品的安全电流和发火能量、发火电压之间是相互对立的矛盾。因此设计一种在非发火状态下具有高安全电流(1A)、较高抗静电和电磁干扰能力而在发火状态下所需发火电压、发火能量较低(发火电压≤4V(10uf)，发火能量≤0.08W)的电火工品组件成为了一项巨大的挑战。 

发明内容

为解决电火工品的安全电流和发火能量与发火电压之间的矛盾，本发明设计了一种全新 的非发火状态下高安全同时发火状态下低能耗的电火工品组件。 

本发明的目的在于提供一种高安全低能耗的电火工品组件。 

本发明的高安全低能耗的电火工品组件包括：电火工品、电子开关和封装体；其中，电子开关和电火工品分别安装在封装体内，电子开关和电火工品并联；在非发火状态下，电子开关保持接通状态，电火工品被电子开关短路保护；在发火状态下，电子开关在外部的安全控制电路控制下断开，电火工品接入发火控制电路中。 

电火工品包括电火工品衬底、两个发火电极和作用区域，两个发火电极和作用区域位于衬底上，两个发火电极分别位于作用区域的两端。 

电子开关包括开关衬底、控制桥、绝缘层、金属互联、导线桥、钝化层、一对控制桥电极焊盘和一对导线桥电极焊盘；其中，控制桥形成在开关衬底上，包括一对控制桥电极，以及连接二者的控制桥桥区；绝缘层覆盖在控制桥上；绝缘层上与控制桥的一对控制桥电极正对的位置设置有多个通孔，形成一对通孔阵列，通孔阵列的内部填充金属互联；导线桥形成在绝缘层上，包括一对导线桥电极，以及连接二者的导线桥桥区；一对导线桥电极与通孔阵列的位置不重叠；导线桥桥区覆盖控制桥桥区发生电爆的位置；钝化层形成在导线桥上；在钝化层中，分别与一对通孔阵列和一对导线桥电极相对的地方设置有焊盘通孔，一对控制桥电极焊盘和一对导线桥电极焊盘分别通过焊盘通孔嵌入钝化层；金属互联通过绝缘层上的一对通孔阵列，将一对控制桥电极分别与一对控制桥电极焊盘电学互联；一对导线桥电极分别与一对导线桥电极焊盘相接触形成电学互联。 

封装体采用陶瓷塞，或者基板。 

陶瓷塞包括陶瓷体、第一凹槽、第二凹槽、一对发火电路电极和一对安全电路电极；其中，陶瓷体的表面设置有第一凹槽和第二凹槽，分别放置电火工品和电子开关；电火工品的两个发火电极，以及电子开关的一对导线桥电极焊盘，分别连接至陶瓷塞的一对发火电路电极的同一端上，实现电子开关和电火工品的并联；一对发火电路电极的另一端分别连接至外部的发火控制电路的两端；电子开关的一对控制桥电极焊盘分别连接至陶瓷塞的一对安全电路电极的一端上，一对安全电路电极的另一端分别连接至外部的安全控制电路的两端，实现控制桥与外部的安全控制电路的连接。 

陶瓷塞采用引线键合实现电子开关和电火工品的并联，两个发火电极分别通过引线键合的方式连接至陶瓷塞的一对发火电路电极的一端上；电子开关的一对导线桥电极焊盘分别通过引线键合的方式连接至陶瓷塞的一对发火电路电极的同一端上，实现电子开关和电火工品 的并联。 

基板包括基底、一对发火电路焊盘和一对安全电路焊盘；其中，电火工品和电子开关分别粘结在基底的同一表面，或者分别粘结在基底的两个表面；电火工品的两个发火电极，以及电子开关的一对导线桥电极焊盘分别连接至基板的一对发火电路焊盘上，实现电子开关和电火工品的并联；一对发火电路焊盘分别连接至外部的发火控制电路的两端；电子开关的一对控制桥电极焊盘分别连接至基板的一对安全电路焊盘上，一对安全电路焊盘分别连接至外部的安全控制电路的两端，实现控制桥与外部的安全控制电路的连接。 

封装体采用基板，如果电子开关和电火工品分别封装在封装结构中，则可以采用焊接实现电子开关和电火工品的并联，也可以采用引线键合的方式实现电火工品和电子开关的并联。在焊接实现并联中，电火工品的两个发火电极分别焊接在一对发火电路焊盘上；电子开关的一对导线桥电极焊盘分别焊接在基板的一对发火电路焊盘上，实现电子开关和电火工品的并联；电子开关的一对控制桥电极焊盘分别焊接在基板的一对安全电路焊盘上。如果电子开关和电火工品不采用封装结构而是裸片，则采用引线键合的方式实现电子开关和电火工品的并联。 

控制桥的厚度不超过2μm，长度不超过400μm，材料为Al或Cu，或者为重掺杂的半导体多晶硅。导线桥的厚度不超过2μm，长度不超过400μm，材料为Al或Cu，或者为重掺杂的半导体多晶硅。为了减小电阻，控制桥的控制桥桥区，或者导线桥的导线桥桥区，形状为矩形，宽度在2μm～40μm之间，或者形状为中间窄两端宽的结构，并且为轴对称的图形，中间的最小宽度在2μm～40μm，两端的最大的宽度在40μm～400μm。 

绝缘层的厚度在0.5μm～2μm之间，用于保持控制桥和导线桥之间的绝缘。钝化层位于最外层，材料采用与CMOS工艺相兼容的绝缘抗氧化材料，用于保护电子开关，防止其被氧化。 

控制桥通过一对控制桥电极焊盘接入安全控制电路，从而接收来自控制电路的控制信号。导线桥通过一对导线桥电极焊盘与电火工品并联。安全控制电路发出大幅值小脉宽电流的控制信号，控制桥发生电爆，控制桥桥区产生等离子体，等离子体膨胀做功将重叠在控制桥桥区之上的导线桥桥区破坏，导线桥断开，从而电火工品不被电子开关短路保护，接入外部的发火控制电路。 

并联的电子开关是一个由常通向常断状态转换的固态电子开关，作用是当电火工品处于非发火状态下，电子开关保持接通状态，安全控制电路不发出任何信号，此时电子开关不消 耗任何电能，电火工品被短路，因此具有高安全性；当需要电火工品发火时，外部的安全控制电路施加一个控制信号，控制桥电爆引起导线桥断开，电子开关断开，电火工品被接入外部的发火控制电路，在低能耗下发火，之后电子开关将不再消耗任何电能。 

本发明的电火工品组件与传统的电火工品的主要区别在于：本发明的电火工品组件在非发火状态下，电子开关在非发火状态下处于常通状态，此时电火工品被短路，具有高安全电流(≥1A)，这意味着具有高安全性；而在进入发火状态后，电子开关断开，电火工品具有电发火特性，则只需要较低的发火能量(≤0.08mJ)和发火电压(≤4V(10uf))就能正常发火，这意味着具有低能发火的能力；即电火工品组件同时具备高安全性和低能发火能力。同时由于电子开关的工作条件简单因而不需要复杂的外围电路。 

本发明的优点： 

本发明采用在电火工品并联电子开关，在非发火状态下，电子开关在非发火状态下处于常通状态，此时电火工品被短路，具有高安全电流(≥1A)，这意味着具有高安全性；而在进入发火状态后，电子开关断开，电火工品接入发火控制电路，则只需要较低的发火能量(≤0.08mJ)和发火电压(≤4V(10uf))就能正常发火，这意味着具有低能发火的能力；即电火工品组件同时具备高安全性和低能发火能力，同时由于电子开关工作条件简单因而不需要复杂外围电路。 

附图说明

图1为本发明的高安全低能耗的电火工品组件的电子开关的一个实施例的爆炸图； 

图2为本发明的高安全低能耗的电火工品组件采用陶瓷塞封装并且电子开关为裸片的示意图，，其中，(a)立体图，(b)为俯视图，(c)为剖面图； 

图3为本发明的高安全低能耗的电火工品组件采用陶瓷塞封装并且电子开关在封装结构内的示意图，其中，(a)立体图，(b)为俯视图，(c)为剖面图； 

图4为本发明的高安全低能耗的电火工品组件采用基板封装，并且电火工品和电子开关在同一个表面的示意图，其中，(a)为立体图，(b)为俯视图； 

图5为本发明的高安全低能耗的电火工品组件采用基板封装，并且电火工品和电子开关分别在不同的表面的示意图，其中，(a)立体图，(b)为侧视图，(c)为仰视图； 

图6为本发明的高安全低能耗的电火工品组件在非发火状态下的原理框图； 

图7为本发明的高安全低能耗的电火工品组件在发火状态下的原理框图。 

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。 

实施例一 

如图1所示，高安全低能耗的电火工品组件的电子开关包括：电子开关衬底21、控制桥22、绝缘层23、导线桥24、钝化层25、金属互联27、一对控制桥电极焊盘264和一对导线桥电极焊盘263；其中，控制桥22形成在衬底21上，包括一对控制桥电极221，以及连接二者的控制桥桥区222；绝缘层23覆盖在控制桥22上；绝缘层23上与控制桥22的一对控制桥电极221正对的位置设置有多个通孔231，形成通孔阵列；导线桥24形成在绝缘层23上，包括一对导线桥电极241，以及连接二者的导线桥桥区242；控制桥22和导线桥24的形状均为对称图形，二者的对称轴互相垂直，相交于中心，一对导线桥电极241与一对控制桥电极221不重叠，导线桥桥区242覆盖控制桥桥区222发生电爆的位置；钝化层25形成在导线桥24上；在钝化层25中，分别与一对控制桥电极和一对导线桥电极相对的地方设置有焊盘通孔，一对控制桥电极焊盘264和一对导线桥电极焊盘263分别通过焊盘通孔嵌入钝化层25；金属互联27通过绝缘层上的通孔阵列，将一对控制桥电极221分别与一对控制桥电极焊盘264电学互联；一对导线桥电极241分别与一对导线桥电极焊盘263相接触形成电学互联。本实施例中，控制桥的控制桥桥区222采用两端宽中间窄的形状，包括两个形状相同的等腰梯形，和一个矩形，两个梯形的较小的底边相对，中间连接矩形，形成轴对称的图形。控制桥桥区222的形状还可以为矩形，长度不超过40μm，宽度在2～40μm之间，导线桥桥区242的形状与控制桥桥区的形状相似。控制桥桥区222发生电爆的位置位于控制桥桥区的矩形区域，即电子开关的作用区域。 

电火工品1包括：电火工品衬底、两个发火电极11和作用区域，两个发火电极11位于电火工品衬底上，中间为作用区域。 

在本实施例中，封装体采用陶瓷塞，电子开关2为裸片，即没有采用封装结构封装，直接设置在陶瓷塞3中。如图2所示，陶瓷塞包括陶瓷体35、第一凹槽31、第二凹槽32、一对发火电路电极33和一对安全电路电极34；其中，陶瓷体35的表面分别设置有第一凹槽31和第二凹槽32，分别放置电火工品1和电子开关2；两个发火电极11，以及电子开关的一对导线桥电极焊盘263分别通过引线连接至陶瓷塞的一对发火电路电极33的同一端上，实现电子开关2和电火工品1的并联；一对发火电路电极33的另一端分别经引线连接至外部的电火工品发火控制电路；电子开关2的一对控制桥电极焊盘264分别连接至陶瓷塞的一对安全电 路电极34的一端上，一对安全电路电极34的另一端分别连接至外部的安全控制电路的两端。图2(a)和(b)分别为本实施例的电火工品组件的立体图和俯视图，图2(c)为沿图2(b)中A-A’线的剖面图。 

实施例二 

在本实施例中，电子开关2封装在封装结构28中，封装结构包括通孔、一对封装结构控制焊盘284和一对封装结构导线焊盘283；封装结构28的上表面设置有通孔，通孔正对着电子开关发生电爆的区域，并且在封装结构28的下表面露出一对封装结构控制焊盘284和一对封装结构导线焊盘283，电子开关的一对控制桥电极焊盘264分别通过引线键合连接至一对封装结构控制焊盘284；电子开关的一对导线桥电极焊盘263分别通过引线键合连接至一对封装结构导线焊盘283。内部封装有电子开关2的封装结构28倒扣在陶瓷塞35的第二凹槽32内，其他结构同实施例一，如图3所示。图3(a)和(b)分别为本实施例的电火工品组件的立体图和俯视图，图3(c)为沿图3(b)中A-A’线的剖面图。 

实施例三 

在本实施例中，封装体采用基板4，基板采用印制电路板PCB基板，或者陶瓷基板，电子开关和电火工品粘结在基板的同一个表面上，以引线键合的方式实现电子开关和电火工品的并联。如图4所示，基板包括基底、一对发火电路焊盘和一对安全电路焊盘；其中，电火工品1的两个发火电极11分别连接至基板的一对发火电路焊盘43上；电子开关2的一对导线桥电极焊盘263分别连接至基板的一对发火电路焊盘43上，实现电子开关2和电火工品1的并联，一对发火电路焊盘43分别通过金属布线46连接至外部的电火工品发火控制电路；电子开关2的一对控制桥电极焊盘264分别连接至基板4的一对安全电路焊盘44上，一对安全电路焊盘44分别经过金属布线47连接至外部的安全控制电路的两端，实现控制桥与外部的安全控制电路的连接。图4中，(a)和(b)分别为立体图和俯视图。 

实施例四 

在本实施例中，封装体采用基板4，基板采用PCB基板，或者是陶瓷基板，电子开关2和电火工品1分别粘结在基板的正面和背面，以引线键合的方式实现电子开关和电火工品的并联。如图5所示，基板包括基底、发火电路焊盘和一对安全电路焊盘；其中，电火工品1的两个发火电极11分别连接至基板背面的一对发火电路焊盘43上；电子开关2的一对导线桥电极焊盘263分别连接至基板正面的一对发火电路焊盘43，正面和背面的两对发火电路焊盘43由引线通过金属通孔实现电学互联，实现电子开关2和电火工品1的并联；一对发火电 路焊盘43分别通过金属布线46连接至外部的电火工品发火控制电路；电子开关2的一对控制桥电极焊盘264分别连接至基板4的一对安全电路焊盘44上，一对安全电路焊盘44分别经过金属布线47连接至外部的安全控制电路的两端，实现控制桥与外部的安全控制电路的连接，图5中，(a)、(b)和(c)分别为立体图、侧视图和仰视图。 

图6为高安全低能耗的电火工品组件的原理框图，电子开关1和电火工品2通过两个发火电极11分别和一对导线桥电极焊盘263相连，实现并联，一对发火电路电极11分别连接至发火控制电路的两端，一对控制桥电极焊盘264分别连接至安全控制电路的两端；在非发火状态下，电子开关保持接通状态，电火工品被电子开关短路保护。由于并联了电子开关，提高了电火工品组件的通过电流能力，因而提高了安全电流，此时，即使电火工品发火控制电路向电火工品1施加其额定发火条件，电火工品1也不能正常发火，因而电火工品1处于被电子开关2的短路保护的状态。根据不同的电火工品1的类型以及不同的安全电流要求，可以设计使用不同结构和尺寸的电子开关2以满足上述需要。 

如图7所示，在进入发火状态下，安全控制电路发出大幅值小脉宽电流的控制信号，控制桥发生电爆，控制桥桥区222产生等离子体，等离子体膨胀做功将正交在控制桥桥区之上的导线桥桥区242破坏，导线桥24断开，从而电火工品不被电子开关短路保护，接入外部的发火控制电路。此时，发火控制电路向电火工品1施加其额定发火条件——以半导体桥为例其发火能量小于等于0.08W，发火电压低小于等于4V(10uf)，发火能量低——电火工品1可以正常发火。 

此外，由于电子开关2采用集成电路半导体工艺，并且其作用不需要复杂电路，使得本发明的电火工品组件相比于单独的电火工品体积仅增大1倍。 

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。 

Claims (8)

1.一种高安全低能耗的电火工品组件，其特征在于，所述电火工品组件包括：电火工品、电子开关和封装体；其中，所述电火工品包括电火工品衬底、两个发火电极和作用区域；所述电子开关和电火工品分别安装在封装体内，电子开关和电火工品并联；在非发火状态下，电子开关保持接通状态，电火工品被电子开关短路保护；在发火状态下，电子开关在外部的安全控制电路控制下断开，电火工品接入发火控制电路中。

2.如权利要求1所述的电火工品组件，其特征在于，所述电子开关包括开关衬底、控制桥、绝缘层、金属互联、导线桥、钝化层、一对控制桥电极焊盘和一对导线桥电极焊盘；其中，控制桥形成在开关衬底上，包括一对控制桥电极，以及连接二者的控制桥桥区；绝缘层覆盖在控制桥上；绝缘层上与控制桥的一对控制桥电极正对的位置设置有多个通孔，形成一对通孔阵列，通孔阵列的内部填充金属互联；导线桥形成在绝缘层上，包括一对导线桥电极，以及连接二者的导线桥桥区；一对导线桥电极与通孔阵列的位置不重叠；导线桥桥区覆盖控制桥桥区发生电爆的位置；钝化层形成在导线桥上；在钝化层中，分别与一对通孔阵列和一对导线桥电极相对的地方设置有焊盘通孔，一对控制桥电极焊盘和一对导线桥电极焊盘分别通过焊盘通孔嵌入钝化层；金属互联通过绝缘层上的一对通孔阵列，将一对控制桥电极分别与一对控制桥电极焊盘电学互联；一对导线桥电极分别与一对导线桥电极焊盘相接触形成电学互联。

3.如权利要求2所述的电火工品组件，其特征在于，所述封装体采用陶瓷塞，所述陶瓷塞包括陶瓷体、第一凹槽、第二凹槽、一对发火电路电极和一对安全电路电极；其中，陶瓷体的表面设置有第一凹槽和第二凹槽，分别放置电火工品和电子开关；电火工品的两个发火电极，以及电子开关的一对导线桥电极焊盘，分别连接至陶瓷塞的一对发火电路电极的同一端上，实现电子开关和电火工品的并联；一对发火电路电极的另一端分别连接至外部的发火控制电路的两端；电子开关的一对控制桥电极焊盘分别连接至陶瓷塞的一对安全电路电极的一端上，一对安全电路电极的另一端分别连接至外部的安全控制电路的两端，实现控制桥与外部的安全控制电路的连接。

4.如权利要求3所述的电火工品组件，其特征在于，所述陶瓷塞采用引线键合实现电子开关和电火工品的并联，两个发火电极分别通过引线键合的方式连接至陶瓷塞的一对发火电路电极的一端上；电子开关的一对导线桥电极焊盘分别通过引线键合的方式连接至陶瓷塞的一对发火电路电极的同一端上，实现电子开关和电火工品的并联。

5.如权利要求2所述的电火工品组件，其特征在于，所述封装体采用基板，基板包括基底、一对发火电路焊盘和一对安全电路焊盘；其中，电火工品和电子开关分别粘结在基底的同一表面，或者分别粘结在基底的两个表面；电火工品的两个发火电极，以及电子开关的一对导线桥电极焊盘分别连接至基板的一对发火电路焊盘上，实现电子开关和电火工品的并联；一对发火电路焊盘分别连接至外部的发火控制电路的两端；电子开关的一对控制桥电极焊盘分别连接至基板的一对安全电路焊盘上，一对安全电路焊盘分别连接至外部的安全控制电路的两端，实现控制桥与外部的安全控制电路的连接。

6.如权利要求5所述的电火工品组件，其特征在于，所述电子开关和电火工品分别封装在封装结构中，通过引线键合，或者通过焊接的方式实现电子开关和电火工品的并联。

7.如权利要求5所述的电火工品组件，其特征在于，所述基板采用PCB基板或者陶瓷基板。

8.如权利要求3所述的电火工品组件，其特征在于，所述电子开关封装在封装结构中，封装结构包括通孔、一对封装结构控制焊盘和一对封装结构导线焊盘；封装结构的上表面设置有通孔，通孔正对着电子开关发生电爆的区域，并且在封装结构的下表面露出一对封装结构控制焊盘和一对封装结构导线焊盘，电子开关的一对控制桥电极焊盘分别连接至一对封装结构控制焊盘；电子开关的一对导线桥电极焊盘分别连接至一对封装结构导线焊盘；内部封装有电子开关的封装结构倒扣在陶瓷塞的第二凹槽内。